Введение и основы программирования в R

Цель курса

Данная дисциплина предназначена для изучения языка программирования R и его использования для анализа данных. Дисциплина охватывает все стадии анализа данных, от сбора и обработки данных до обучения модели на этих данных. Уделено большое внимание визуализации данных, а также работе с данными в интернете.

Язык программирования R

R — язык программирования для статистической обработки данных и работы с графикой, но в тоже время это свободная программная среда с открытым исходным кодом. R применяется везде, где нужна работа с данными. Это не только статистика в узком смысле слова, но и «первичный» анализ (графики, таблицы), и продвинутое математическое моделирование.

IDE и RStudio

IDE(Integrated Development Environment) - интегрированная среда разработки. Можно сказать, что это красивая и удобная обложка для R.Такими инстсрументами являются RStudio, JGR, RKWard, SciViews-R. Мы будем использовать RStudio.Для тех, кто продвинется в изучении R и Python,можно работать с обоими языками в Jupyter notebook.

Интерфейс RStudio

Интерфейс RStuidio состоит из четырёх основных окон:

• верхнее левое(1) - работа со скриптами
• нижнее левое(2) - работа с консолью
• верхнее правое(3) - переменные, функции и остальные созданные объекты
• нижнее правое(4) - директория, графики, пакеты и поддержка

Арифметические операции и первая работа с консолью

Давайте теперь попробуем начать наше взаимодействие с R. Начнем с простых арифметических операций. Будем писать и запускать код в консоли. О том, что консоль готова запускать какой-либо код, говорит нам знак больше(>). Напишем 2 + 2 и нажмем Enter.

В выводе получаем закономерные 4! Попробуйте сами выполнить остальные арифметические операции.

2+2 # Сложение.
## [1] 4
10-5 # Вычитание.
## [1] 5
10*99 # Умножение.
## [1] 990
225/15 # Деление, результат - целочисленный.
## [1] 15
10/4 # Деление, результат - действительное число.
## [1] 2.5
11%/%3 # Целая часть от деления.
## [1] 3
11%%3 # Остаток от деления.
## [1] 2
5^2 # Возведение в степень (1 вариант).
## [1] 25
5**2 # Возведение в степень (2 вариант).
## [1] 25

В R также есть встроенное значение числа Пи.

pi
## [1] 3.141593

Давайте теперь попробуем воспользоваться знакомыми нам функциями. Например найдем косинус числа Пи. Для этого напишем в консоли cos(pi). Заметим, что аргумент нашей функции мы записываем в круглых скобках. Используем эту функцию и другие.

cos(pi) # Косинус.
## [1] -1
sin(pi) # Синус.
## [1] 1.224647e-16
exp(1) # Экспонента.
## [1] 2.718282
tan(0) # Тангентс.
## [1] 0
abs(-5) # Модуль.
## [1] 5
sqrt(144) #Корень.
## [1] 12
factorial(10) # Факториал.
## [1] 3628800
round(3.4865, 2) # Округление числа до 2 знака после запятой.
## [1] 3.49

Отметим некоторые моменты:

• Все эти функции являляются встроенными в R. На вход функции получают один или несколько аргументов. Как и в математике, чтобы получить значение функции \(y = f(x)\) нужно подставить аргумент \(x\).

• У функции round имеется два аргумента: число, которое нужно округлить, и до скольких знаков после запятой это нужно сделать. Когда у нас имеется 2 или более аргумента, мы перечисляем их через запятую. К функциям мы еще вернемся позднее.

• Есть огромное количество функций(как встроенных, так и написанных нами). Их названия могут быть большими. Чтобы не писать их полностью, можно написать начало функции после чего нажать кнопку Tab. RStudio выведет список функций с таким же началом, после чего вы с помощью стрелочек сможете выбрать нужную вам функцию.

• Как говорилось ранее, о готовности консоли запустить код говорит знак больше(>). Но иногда там появляется плюсик(+) из-за которого все перестает работать. Этот плюсик появляется после того, как вы не дописали какой-то код. Давайте напишем в консоли 10 - 5 -. В данном случае мы видимо забыли дописать какое-то число. У нас появится плюсик(+). В данном случае мы можем дописать код или нажать Esc и написать код заново. Чтобы не писать код заново, можно с помощью стрелочки вверх вернуться к написанному ранее коду.

• Кто не знал, факториал числа \(n\) вычисляется следующим образом. \[ n! = 1 \times 2 \times... \times n-1 \times n \] Восклицательный знак как раз и обозначает факториал. Например, посчитаем факториал числа 5. \[ 5! = 1 \times 2 \times 3 \times 4 \times 5 = 120 \]

Первый скрипт

Обычно мы пишем достаточно большой код на много строк. Писать по одной строке в консоле очень неудобно по всем причинам. Хотелось бы написать код, а потом уже его запустить и при надобности редактировать. Для этого и нужен скрипт. Давайте создадим наш первый скрипт!

Код пишется здесь построчно. После того как вы написали нужный вам код у вас есть несколько вариантов как передать его в консоль и запустить:

1. Можно использовать комбинацию клавиш Ctrl + Enter(Cmd + Enter на маке). Так можно запускать код по одной строчке или выделив нужный кусок кода запустить его. Эта комбинация клавиш эквивалента нажатию кнопки Run, которая находится на верхней панели скрипта.
2. Можно запустить весь код сразу с помощью кнопки Source на верхней панели скрипта.

Полезно комментировать код, который вы пишите, чтобы другие люди или вы позднее смогли понять смысл кода. Для комментирования импользуется решетка(#). Все, что идет после нее не является кодом, который R запускает. Это удобно, когда нужно прокомментировать что-то или убрать часть кода, не удаляя его. Если вам нужно закомментировать/расскоментировать несколько строк, то можно использовать комбинация клавиш Ctrl + Shift + C(Сmd + Shift + C на маке).

Также можно сделать заголовок, чтобы отделить части кода друг от друга. Это можно сделать с помощью комбинации клавиш Ctrl + Shift + R(Сmd + Shift + R на маке).

Переменные

Информацию нужно где-то хранить. Самым простым контейнером для хранения данных являются переменные. Их можно создавать следующим образом:

1. Пишите название переменной (оно не должно содержать пробелов и должно начинаться с буквы)
2. Ставите стрелочку(<-) или знак равно(=). Стрелочку можно поставить с помощью комбинации Alt + - . Предпочтительнее использовать стрелочку.
3. Написать значение, которое вы хотите присвоить.

a <- 5 # Теперь в а содержится цифра 5.
b = 19 # Теперь b содержит цифру 7.

На самом деле можно присваивать и в обртаную сторону, но так код становится менее читабельным.

8 -> c # С помощью стрелочки можно присваивать и в обратную сторону,может кому-то будет удобнее.

Чтобы отобразить переменную нужно написать её название или использовать функцию print.

a

## [1] 5

print(c)

## [1] 8

А теперь очень важное замечание! R отличает строчные и заглавные буквы!

M <- 99
m <- 66
#Это две разные переменные!

С переменными можно проводить те же действия, что и с числами.

Значением переменной может быть не только какое-то число. Рассмотрим основные виды переменных:

• числовой(integer/numeric/double)
• строковый(character) - записывается в кавычках
• логический(logical) - TRUE/FALSE

#числовой(integer/numeric/double)
number <- 7
#строковый(character)
name <- "Anna"
#Логический(logical)
a <- TRUE
b <- FALSE

Тип переменной можно определиить с помощью следующих команд:

• typeof
• class
• семейство функций is.*, например, is.logical

typeof(number)

## [1] "double"

typeof(name)

## [1] "character"

typeof(a)

## [1] "logical"

Кроме основных типов переменных есть еще и особые:

• Inf - бесконечность
• NA - Not available
• NaN - Not-a-Number

sila <- Inf
b <- 0/0 # Not-a-Number
a <- NA # not available

Чтобы вывести на экран все наши объекты можно использовать функцию ls.

ls()

## [1] "a"      "b"      "c"      "m"      "M"      "name"   "number" "sila"

Чтобы удалить отдельный объект можно использовать функцию rm.

a <- 10
rm(a)

Чтобы удалить все ваши объекты есть два пути:

• запустить код rm(list=ls())
• нажать на метёлочку в правом верхнем углу

Также можно очистить консоль с помощью комбинации Ctrl + L.

Массивы

Следующим контейнером хранения данных являются массивы (векторы). Самый простой способ задания массива это использование функции c. Массивы могут содержать данные любого типа. Но этот тип должен быть одним, то есть вы не можете иметь в массиве, например, числовое и строковое значение. Название массива должно удовлетворять таким же условиям, что и названия переменных.

numbers <- c(1,2,3,4,5)
names <- c("Ahmed","Anna","Vika","Mikhael")
logic <- c(TRUE,FALSE,T,F)

Выведем эти переменные на экран.

print(numbers)

## [1] 1 2 3 4 5

print(names)

## [1] "Ahmed"   "Anna"    "Vika"    "Mikhael"

print(logic)

## [1]  TRUE FALSE  TRUE FALSE

Массив это индексируемый вид данных. Можно выделять нужные нам элементы по индексам.

n1 <- numbers[1]
n2 <- numbers[2]
n3 <- numbers[3]
print(n1)

## [1] 1

print(n2)

## [1] 2

print(n3)

## [1] 3

Элементы вектора можно изменять.

numbers[1] <- 10
numbers[2] <- 11
numbers[3] <- 12
print(numbers)

## [1] 10 11 12  4  5

Функция length(x), где x - это сам вектор, считает количество элементов в нем.

chi <- c(0,0,0,0,0,0)
kol <- length(chi)
print(kol)

## [1] 6

Элементов получилось 6, но что будет если мы попробуем вывести 7-ой элемент?

print(chi[7])

## [1] NA

Как же добавить еще элементов в вектор? Просто создать новый вектор.

numbers <- c(numbers,10,13,99)
print(numbers)

## [1] 10 11 12  4  5 10 13 99

В данном случае мы можем вставить элементы в начало или конец.Если же нужно вставить элемент в определенное время используем функцию append. Первый аргумент это массив, в который добавляем элемент. Второй аргумент это сам элемент. А третий аргумент это после какого аргумента нужно вставить элемент.

numbers <- append(numbers, -Inf, after = 3)
numbers

## [1]   10   11   12 -Inf    4    5   10   13   99

Добавлять научились, теперь научимся удалять. Можно выделить массив без указанного элемента.

numbers <- numbers[-1]

Изучим еще несколько способов создания массивов.

v1 <- 10:100
v2 <- seq(1, 2, by = 0.25)
v3 <- seq(5, 10, length = 20)
v4 <- rep(1:3,times = 5)
v5 <- rep(1:3,each = 4)

Можно выделять из массива не только один элемент, но и несколько. Просто нужно подать массив индексов, которые нам нужны.

v1[c(1,3,5)]

## [1] 10 12 14

v1[seq(1,5,2)]

## [1] 10 12 14

Часто для проверки аргументов хорошо использовать рандомный массив. Его можно создать с помощью функции sample. Первый аргумент(x) это массив из которого можно генерировать значения. Второй(size) это размер генерируемого массива. А третий(replace) указывает можно ли повторять элементы.

random <- sample(x = 1:10, size = 5, replace = TRUE)

Цикл for

Условный оператор if

Операторы сравнения

Мы можем сравнивать элементы:

5 == 5

## [1] TRUE

5 != 5

## [1] FALSE

5 > 5

## [1] FALSE

5 < 5

## [1] FALSE

5 >= 5

## [1] TRUE

5 <= 5

## [1] TRUE

Есть некоторый нюанс.

0.1 + 0.2 == 0.3

## [1] FALSE

1/49 * 49 == 1

## [1] FALSE

Так происходит потому что в R есть точность до определенного знака. Чтобы избежать этого можно использовать функцию all.equal.

all.equal(0.1+0.2, 0.3)

## [1] TRUE

Логические операторы

табличку с операторами

if

Зачастую действие алгоритма или какого-то кода может зависеть от условия, Для этого нужен условный оператор. Он выглядет следующим образом.

if (condition) {
  # действия в случае TRUE 
}else{
  # действи в случае FALSE
}

Условие(condition) должно принимать значения либо TRUE, либо FALSE. То есть иметь логический тип.

Цикл while

Работа с матрицами

Функции

help рекурсия

Алгоритм сортировки пузырьком